4—3热处理的基本方法解析

按加热速度：普通淬火、快速加热淬火、超快速加热淬火 按加热介质及热源条件：光亮淬火、真空淬火、流态层加热淬火、铅浴 加热淬火、盐浴加热淬火、火焰加热淬火、感应加热淬火、高频脉冲淬 火、接触电加热淬火、电解液加热淬火、电子束加热淬火、激光加热淬 火 按淬火部位：整体淬火、局部淬火、表面淬火 按冷却方式：有单液淬火、双液淬火、分级淬火、等温淬火、预冷淬火 等直接淬火；马氏体等温淬火、贝氏体等温淬火、形变等温淬火、冷处 理等
加热速度:
常用结构钢、弹簧钢及热作模具钢钢锭，加热速度 100~200℃/h。
保温时间：
常用结构钢、弹簧钢及热作模具钢钢锭，保温时间
8.5 Q / 4 (h)
一般较长。因为完全退火时加热温度超过Ac3不多，相 变进行得较慢，特别是粗大铁素体或碳化物的溶解和奥氏 体成分的均匀过程，均需要较长时间。
缓冷
F＋P
片状珠光体和 网状渗碳体组 织转变为球状
亚共析钢的 铸、锻、轧 件，焊接件
共析、过共 析钢及合金 钢的锻件、 轧件等
去应力 消除残余应力，提 加热到500～650
退火 高尺寸稳定性
℃缓冷至200 ℃
空冷
无变化
铸、锻、焊、 冷压件及机 加工件
2、 钢的正火
将钢加热到AC3以上温度并保温，出炉空冷至室温的 热处理工艺。
渗碳体，则应先正火消除。
表4-2 为获得最佳切削加工性而选择的热处理工艺
热处理工艺与切削工艺性的关系
4、退火、正火缺陷
退火和正火若由于加热或冷却不当时会出现一些异常 组织，造成缺陷，常见的如下：
(1)过烧：
由于加热温度过高，晶界被氧化，甚至晶界局部溶解， 使工件报废。
(2)黑脆：
碳素/低合金工具钢在退火后虽硬度很低，但脆性 却很大，断口呈灰黑色，故称“黑脆”。主要原因是退 火温度过高，保温时间过长，冷却缓慢，珠光体转变按 Fe-C进行即碳石墨化。
双液淬火
分级淬火
时间 等温淬火
二、 淬火介质
理想淬火介质具备：
高温慢冷；
温度
(℃)
奥氏体鼻子温度快冷；800
马氏体转变慢冷。 700 600
500
理想淬火冷却介质
A1
400 300 Ms 200 100
0 Mf
-100 0
1
10 102 103 104 时间(s)
二、 淬火介质
1 .有物态变化的淬火介质 介质冷却特性的测试
退火温度
退火温度范围很宽。由于材料成分、加工方法、内应力大 小及分布的不同，以及去除程度的不同，去应力退火的加热温 度范围很宽。
钢500~650℃；铸件500~550℃；焊件500~600℃。 一般在A1以下进行，组织并未发生变化，在缓慢冷却的过 程中，工件各部分均匀冷却和收缩，消除了铸件、锻件、焊接 件、热轧件、冷拉件等的残余内应力，避免在使用或随后的加 工过程中产生变形或开裂
ak
N·m/ Kg·m
cm2 /cm2 54.9 5.6 76.5 7.8
由表可得出结论：
正火与退火相比较，正火的强度与韧性较高，塑性 基本相同。
但对于过共析钢，完全退火的钢中因为有网状渗碳 体的存在，其硬度、韧性均低于正火的。
而球化退火的钢，因其所得组织是球状P，故其综 合性能优于正火的。
（6）球化不均匀：由于退火前没有消除网状渗碳体，在球 化退火时聚集而成。可通过正火和一次球化退火消除。
（7）硬度过高：退火时加热温度过高，冷却速度过快，使 硬度高于规定的范围，重新退火即可。
粗大的渗碳体
渗碳体网很宽
a)
b）
图4-8 反常组织
a)0.5%C,加热温度为850℃； b）1.2%C，加热温度为970℃
冷却速度：
缓慢，以保证奥氏体在Ar1点以下不大的过冷度情况下进行 珠光体转变，以免硬度过高。
完全退火主要用于亚共析钢的铸件、锻件、热轧 件，有时也用于焊件。
注意！
完全退火不能用于过共析钢，因为加热到Accm 以上再缓慢冷却时会析出网状渗碳体，使钢的机械 性能变坏。
（2） 球化退火
定义
将过共析钢工件加热到Ac1以上（20～30）℃，保温后， 以极慢的冷速通过A1，使珠光体P中的渗碳体和二次渗碳体 成为球状或粒状的热处理工艺称为球化退火。
2. 淬火工艺 ①淬火加热温度
亚共析钢：Ac3 +30～50℃; 共析和过共析钢： Ac1 +30～50℃
为什么过共析钢淬火加热温
度在
Ac1 +30～50℃ ，
而不是Acm +30～50℃？）
2. 淬火工艺
②加热时间 •加热时间=升温时间 + 心表温度一致时间 + 保温 时间 加热介质对保温时间影响较大。
退火与正火的选用
生产上退火和正火工艺的选择应根据钢种、冷、热的 使用热加工工艺、零件的使用性能及经济综合考虑。
ωC ≤0.25%的低碳钢，正火代替退火； ωC=0.25~0.5%的中碳钢，也可正火代替退火； ωC=0. 5~0.75%的中高碳钢，用完全退火； ωC≥0.5%的高碳钢或工具钢，用球化退火。如有网状二次
二、 淬火介质
冷却机理 第一阶段：蒸汽膜阶段。冷却速度慢 第二阶段：沸腾阶段。冷却速度快 第三阶段：对流阶段。冷却速度慢
常用的冷却介质 水、盐水、碱水、油、合成淬火液等
2.无物态变化的淬火介质 传热方式： 介质传导和对流将工件的热量带走，使工件获得淬火 要求。
常用的淬火介质： 硝酸盐和碱，使用温度在150～550℃之间。
由于正火比退火加热温度略高，冷却速度大，故珠 光体的分散度大，先共析铁素体的数量少，因而正火后 强度、硬度较高。
（1）作为预备热处理工艺，为下续热处理工艺 提供适宜的组织状态
正 火 （2）作为最终热处理工艺，提供合适的机械性能
（3）用来消除某些处理缺陷火的应用：① 用正火作为性能要求的一般结构件的最终热处理。 ② 亚共析钢采用正火来调整硬度，改善切削加工性能。 ③ 过共析钢的正火可消除网状碳化物。 ④ 细化晶粒（双重正火）
去应力退火后，应缓慢冷却，以免产生新的应力。
去应力退火工艺曲线及其特点
常用退火工艺制度小结
名称
目的
工艺制度
组织
应用
完全 退火
球化 退火
细化晶粒，消除铸 加热到AC3＋ 造偏析，降低硬度，20～50℃，炉冷
提高塑性
至550 ℃左右空
冷
降低硬度，改善切 削性能，提高塑性 韧性，为淬火作组 织准备
加热到AC1＋ 20～40℃，然后
各种退火和正火工艺示意图
退火、正火后钢的组织差别
正火 退火
珠光体
亚共析钢：先共析铁素体少，珠光体数量较
多，珠光体片间距较小，珠光体团的尺寸较小
过共析钢：珠光体片间距较小及团的尺寸较
小，可以抑制先共析网状渗碳体的析出
亚共析钢：先共析铁素体多，珠光体数量较
少，珠光体片间距较大，珠光体团的尺寸较大
过共析钢：珠光体片间距较大及团的尺寸较
软化退火 在临界温度以下的退火 再结晶退火
去应力退火
（1）完全退火
定义
将钢件或钢材加热到Ac3以上，使之完全奥氏体化，然 后缓慢冷却，获得接近于平衡组织的热处理工艺称为完 全退火。
目的
细化晶粒、降低硬度、改善切削性能以及消除内应力。
退火温度：
不宜过高，一般在Ac3以上20~30℃，适用于 0.3~0.6%C的中碳钢。
大，有网状渗碳体存在
由于退火（主要指完全退火）与正火在组织上有着 差异，因而性能也有所不同。
表4-1 正火与退火的40Cr钢的机械性能
状态
退火 正火
σb
MN/m2 643 65.6 739 75.4
机械性能
σs Kg/m2
δ% ψ%
357 36.4 21 53.5 441 450 20.9 76.0
3、 退火、正火后钢的组织和性能
加热时钢的组织转变
1、奥氏体的形成过程 钢在加热时奥氏体的形成过程又称为奥氏体化。以
共析钢的奥氏体形成过程为例。
1）奥氏体形核：奥氏体的晶核优先在铁素体与渗碳体 的界面上形成。 2）奥氏体晶核长大： 奥氏体晶核形成以后，依靠铁、 碳原子的扩散，使铁素体不断向奥氏体转变和渗碳体不 断溶入到奥氏体中去而进行的。 3）残留渗碳体的溶解： 铁素体全部消失以后，仍有部 分剩余渗碳体未溶解，随着时间的延长，这些剩余渗碳 体不断地溶入到奥氏体中去，直至全部消失。
一般在a1以下进行组织并未发生变化在缓慢冷却的过程中工件各部分均匀冷却和收缩消除了铸件锻件焊接件热轧件冷拉件等的残余内应力避免在使用或随后的加工过程中产生变形或开裂去应力退火工艺曲线及其特点名称目的工艺制度组织应用完全退火细化晶粒消除铸造偏析降低硬度提高塑性加热到ac32050炉冷至550左右空冷冷fp亚共析钢的铸锻轧件焊接件球化退火降低硬度改善切削性能提高塑性韧性为淬火作组织准备加热到ac12040然后缓冷片状珠光体和网状渗碳体组织转变为球状共析过共析钢及合金钢的锻件轧件等去应力退火消除残余应力提高尺寸稳定性加热到500650缓冷至200空冷无变化铸锻焊冷压件及机加工件常用退火工艺制度小结正正火1作为预备热处理工艺为下续热处理工艺提供适宜的组织状态2作为最终热处理工艺提供合适的机械性能2钢的正火将钢加热到ac3以上温度并保温出炉空冷至室温的热处理工艺
退火的定义
退火是将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢 冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。
退火的目的
1、降低硬度，提高塑性，以利于切削加工和冷变形加工。 2、细化晶粒，均匀组织，为后续热处理做好组织准备。 3、消除参与内应力，防止工件变形与开裂。
退火的种类
完全退火
按加热温度
不完全退火 在临界温度以上的退火 扩散退火 （相变重结晶退火） 球化退火
4-3 热处理的基本方法
机器零件和工具一般要经过的加工过程：
选原料
锻造
预先热处理 （退火和正火）
最后热处理
机械加工
退火和正火一般作为预先热处理，其作用是：消除前 一工序所造成的某些组织缺陷及内应力，为随后的切削加 工及热处理作好组织准备。
对于某些不太重要的工件，正火也可作为最终热处理 工序。
一、 退火、正火
4）奥氏体均匀化： 渗碳体全部溶解完毕时，奥氏体的 成分是不均匀的，只有延长保温时间，通过碳原子的扩 散才能获得均匀化的奥氏体。 亚共析钢的加热过程：
F P AC1 F A AC3 A
过共析钢的加热过程：
P Fe3CⅡ AC1 A Fe3CⅡ ACcm A
（发生黑脆的工具不能返修）
（3）粗大魏氏组织：主要是由于加热温度过高。魏氏组织 不仅晶粒粗大，而且由于铁素体针片形成的脆面，使 金属的韧性急剧下降。
（4）反常组织：亚/过共析钢在Ar1附近冷却缓慢，结果在 亚共析钢中形成非共析渗碳体，再过共析钢中形成游 离的铁素体或渗碳体。
（5）网状组织：由于加热温度过高，冷却速度过慢引起的。 网状铁素体或渗碳体降低钢的机械性能，特别是网状 渗碳体。一般重新正火可消除。
•保温时间：τ 达=到α热K处理D 工艺规范要求的恒温保温
时间。
工件有效厚度
(尺寸最小部位)
•保温时间 ：
装炉量有关系数 一般 K = 1～1.5
加热系数,与钢种 及加热介质有关
2. 淬火工艺
③冷却方式 冷却方式 最大限度减少工件应力集中和变形， 使工件冷却充分均匀。
冷却介质
温
度
A1
Ms 单液淬火
目的
使钢中碳化物呈球状化，以降低硬度，改善切削加工性能， 并为以后的淬火做好组织准备。
球化退火中的珠光体变化
过共析钢的球化退火
T12钢球化退火组织 F+Fe3C
注意：
为了便于球化过程的进行，对于网状严重的过 共析钢，应在球化退火之前进行一次正火，以消除 网状渗碳体。
球化退火工艺：
（1）低于Ac1点温度的球化退火。
球化退火 （2）往复球化退火
工艺
周期退火，目的是加速球化过程。
（3）一次球化退火
目前生产上最常用的球化退火工艺，是不
完全退火。退火前的原始组织为细片状珠光体， 不允许有渗碳体网存在。
（3） 去应力退火
定义
为了去除由于形变加工、锻造、焊接等所所引起的及铸件 内存在的残余应力（但不引起组织的变化）而进行的退火，称 为去应力退火。
3 淬火介质的新发展 环保、优效（高温快速、低温慢速）、安全、经济为
发展方向。 植物油基生态淬火油（使蒸汽膜阶段短、提高高温阶
段冷速） 聚合物水基淬火介质（降低水的冷速、环保） 固—气流化介质（固体细粒与压缩空气混合）
名称
20℃静止水 40℃静止水 60℃静止水 10%NaCl 溶液 10%NaOH 溶液 20℃10号机油 80℃10号机油 20℃3号锭子油
淬火目的： 提高硬度和耐磨性：刀具、量具、磨具 提高强韧性：轴类、杆件、销、受力件 提高硬磁性：高碳钢、磁钢指的永久磁性（马氏 体磁性） 提高弹性：各类弹簧 提高耐蚀和耐热性：耐热钢和不锈钢 获得M组织
一、淬火方法及工艺 1.淬火方法 淬火分类
按加热温度：完全淬火、不完全淬火、循环加热淬火、二次淬火
常用的淬火冷却介质
最大冷却速度时
所在温度/ 冷却速度
℃
/( ℃ • s-1)
340
775
285
545
220
275
580
2000
560
2830
430
二、淬火与回火
1、 淬火 2、 回火
当锉刀、铣刀完成机械粗加工后，
为满足其使用性能，必须再提高它们的 强度、硬度并保持一定的韧性，以承受 工作时受到挤压、摩擦和冲击。为此， 粗加工之后、精加工之前，还要对它们 进行淬火和回火。
1、淬火
钢的淬火——将钢加热到（A1 或A3）以上，经保温后快 速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺 称为淬火。